JP3399495B2 - 固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置、特
に半導体基板の上部に形成された固体撮像素子の各受光
部上方にレンズ素子が形成され、レンズ素子を空間（空
気）越しにシールしなくてもレンズ素子による集光効果
が得られる固体撮像装置と、その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子には、縦横に配設された各
画素の受光素子上に２酸化珪素ＳｉＯ₂ からなるドーム
状のレンズ素子を、或いは各画素垂直列上にカマボコ状
縦ストライプレンズを形成したオンチップレンズ型固体
撮像素子がある。このような固体撮像素子は、一般的に
は、樹脂封止することができなかった。というのは、レ
ンズ素子の外側の物質は、レンズ素子の材料よりも屈折
率が小さくなければならないという前提があり、そし
て、レンズ素子を成す２酸化珪素の屈折率が約１．５と
小さく、屈折率が約１．５程度しかない透明樹脂と略同
じになり、レンズ効果が全く得られなくなるからであ
る。

【０００３】そのため、セラミック製の中空パッケージ
に固体撮像素子を搭載し、該パッケージ表面をガラスで
封止することによりレンズ素子を空気に接した状態に保
つことによりレンズ効果を得ることができるようにして
いる。

【０００４】しかし、セラミック製の中空パッケージを
用いそれに固体撮像素子を搭載し、ガラスで封止した固
体撮像装置は、パッケージ材料が非常に高価であるこ
と、ガラス封止作業が面倒であること等から製造価格の
低減の要求に応えることが難しい。

【０００５】そこで、レンズ素子よりも低い屈折率（例
えば１．２〜１．３）の透明材料（例えば一種のポリビ
ニルアルコール）を用い、それでレンズ素子の形成され
た表面を覆うようにするという提案が特開平６−３２６
２８４号公報により為されている。

【０００６】その提案されたものは、図３に示すよう
に、基板１上部に形成された受光部２の上に形成された
マイクロレンズ（レンズ素子）７上に、それを完全に覆
う透明膜８を形成してなり、該透明膜８はマイクロレン
ズ７よりも屈折率の低い材料からなることは言うまでも
ない。尚、図３における３はアルミニウムからなる遮光
膜、４はアクリル系透明膜からなる平坦化層、５は色フ
ィルター層、６は平坦化層４と屈折率及び光透過率が略
同様のアクリル系透明膜からなる中間層である。このよ
うな固体撮像装置によれば、マイクロレンズ７を空気
（エアー）と接しさせる必要がないので、透明樹脂によ
る封止が可能になるといえる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記図３に
示す従来の固体撮像装置には、斜めにマイクロレンズ７
に入った光に対しては感度が急激に低下するという問題
がある。即ち、受光部２に向かう垂直な光はレンズ７の
集光効果により受光部２の中心に向かうが、斜めの光、
つまり受光部２から逸れたところに向かう光はレンズ７
に入射しても受光部２の中心から逸れたところに入射
し、斜めになるほど受光部２の中心から逸れ、斜めの角
度（入射角度）が一定以上になると、受光部２から完全
に逸れて受光されなくなる。従って、感度が充分に高く
できないという問題があるのである。本発明はこのよう
な問題点を解決すべく為されたものであり、レンズ素子
（マイクロレンズ）を有する固体撮像素子を樹脂で封止
した固体撮像装置において、感度の向上を図ることを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明固体撮像装置は、
レンズ素子上に該レンズ素子の材料よりも屈折率の低い
透明膜を形成し、該各レンズ素子の頂部を研磨により平
坦化したことを特徴とする。

【０００９】本発明固体撮像装置によれば、平坦化され
た頂部に入射した光は斜めの光であっても受光部に入射
されるので、入射角度の大きな光の感度低下を防止する
ことができる。そして、透明樹脂で封止した場合、その
透明樹脂はレンズ素子とはその平坦な頂部と接し、球面
部分とは接しないので、屈折率がどんな値であってもも
レンズ素子の集光機能に支障を来さない。従って、透明
樹脂により封止することができ、封止に中空パッケージ
を必要としない。依って、装置の低価格化を図ることが
できる。

【００１０】また、封止用透明樹脂の屈折率に制約が無
いので、材料選択の自由度が高い。本発明固体撮像装置
の製造方法は、レンズ素子形成後、該レンズ素子の材料
の屈折率より低い屈折率の透明膜をレンズ素子上にその
頂部を完全に覆うように形成し、その後、上記透明膜及
びレンズ素子の頂部を研磨により平坦化することを特徴
とする。

【００１１】従って、本発明固体撮像装置の製造方法に
よれば、レンズ素子の形成後、透明膜をそのレンズ素子
を完全に覆うように形成し、その後、透明膜及びレンズ
素子を研磨するので、頂部が平坦化されたレンズ素子を
形成することができる。そして、透明膜はレンズ素子よ
りも屈折率が小さいので、レンズ素子のレンズ機能に支
障を与えない。

【００１２】そして、透明樹脂で封止した場合、その透
明樹脂はレンズ素子とはその平坦な頂部と接し、球面部
分とは接しないので、屈折率がどのような値でもレンズ
素子の集光機能に影響を与えない。従って、屈折率に関
して制約が無いので、透明樹脂の材料選択の自由度が高
い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示実施の形態に
従って詳細に説明する。図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明固
体撮像装置の第１の実施の形態を示すもので、（Ａ）は
全体的断面図、（Ｂ）は要部を示す拡大断面図である。

【００１４】図面において、１１は固体撮像素子が形成
された半導体基板、１２は該半導体基板１１の表面部に
形成された受光部、１３は中間層で、ゲート絶縁膜、転
送電極、アイソレーション層、アルミニウム遮光膜、平
坦化膜等からなるが、その構造は本発明の本質には直接
関係しないのでその説明は省略する。該中間層１３の表
面は平坦である。

【００１５】１４は上記中間層１３の表面に形成された
レンズ素子で、各受光部１２の上方に当たる位置に設け
られている。該レンズ素子１４は本実施の形態ではシリ
コンナイトライドＳｉ₃ Ｎ₄ からなる。通常のレンズ素
子は２酸化シリコンＳｉＯ₂であるが、本例においてシ
リコンナイトライドＳｉ₃ Ｎ₄ を用いるのは、屈折率が
２．０と大きく、後に説明する透明膜（１５）の材料選
択の幅を広くすることができるからである。

【００１６】即ち、本発明においては、レンズ素子を直
接覆うことにより封止し空気を介在させなくても済むよ
うにするが、そのためには、レンズ素子と直接接する上
記透明膜（１５）の材料として、レンズ素子１４よりも
屈折率の小さいものを選択しなければならない。しか
し、ＳｉＯ₂ の屈折率１．５より小さい屈折率の樹脂は
少ない。そこで、レンズ素子１４の材料として２．０と
いう大きな屈折率を有するシリコンナイトライドＳｉ₃
Ｎ₄ を選んだのであるが、必ずしもそれに限定されるも
のではない。勿論、屈折率が１．５よりも小さく、透明
度、封止性等において必要な条件を充分に有する透明材
料があれば、レンズ素子を従来どうりＳｉＯ₂ で形成し
ても良いことはいうまでもない。

【００１７】１４ａはレンズ素子１４の平坦な頂部、１
４ｂはその平坦な頂部１４ａに連なる凸球面部であり、
レンズ素子１４の周面を成す。このように、本発明にお
けるレンズ素子１４はその頂部が平坦にされているので
あり、それは、後でも説明するとおり、斜めの光に対す
る感度低下を少なくするためである。

【００１８】１５はレンズ素子１４の頂部１４ａの頂部
１４ａを平坦化するために用いる平坦化用の透明膜で、
本実施の形態においては、ＳｉＯ₂ からなり、頂部が平
坦にされたレンズ素子１４の高さと同じ厚みを有し、そ
の表面とレンズ素子１４の平坦な頂部１４ａとは同一平
面を形成している。この平坦化用の透明膜１５に要求さ
れる最も重要な条件は、レンズ素子１４よりも屈折率が
小さいことである。この透明膜１５はレンズ素子１４の
頂部１４ａを平坦化するために必要となったものであ
る。尚、どのように平坦化するかについては後で説明す
る。

【００１９】尚、レンズ素子１４の実行的な屈折率は
１．３３（レンズ素子１４材料の屈折率２．０／平坦化
用の透明膜１５材料の屈折率１．５）となる。

【００２０】１６は固体撮像素子が形成された半導体基
板１１を封止する、樹脂からなる透明パッケージであ
り、半導体基板１１をその間に空気を介在させることな
く直接封止する。この樹脂１６はレンズ素子１４の平坦
な部分１４ａと接し、その界面は平坦なので、屈折率が
どのような値であってもレンズ素子１４の集光機能に支
障を来さない。従って、封止用投影パッケージの屈折率
について特に制限が無く、材料選択の自由度が大きい。
１７はリード（端子）である。

【００２１】このような固体撮像装置によれば、レンズ
素子１４がドーム状体の頂部１４ａを基板１１表面と平
行に平坦化してなるので、頂部１４ａに入射した光は相
当に斜めであっても受光素子１２に入射され得る。従っ
て、斜めな入射光であって周面１４ｂに入射する光に対
する感度低下はある程度は避けられないが、頂部１４ａ
に入射した斜めな光に対しては感度が高まるので、斜め
な光に対する感度低下を最小限に抑制することができ
る。

【００２２】勿論、中空モールド等の高価なパッケージ
を用いなくても良いので、透明な樹脂で封止することが
でき、組み立てコストの低減を図ることができる。

【００２３】そして、封止樹脂１６はその屈折率がどの
ような値であってもレンズ素子１４とは、その平坦な頂
部１４ａと接するが、球面１４ｂには接しないので、そ
のレンズ効果には影響しない。従って、封止樹脂１６に
は屈折率に関する制約が無いので、材料選択について自
由度が高まる。

【００２４】図２（Ａ）乃至（Ｃ）は図１（Ａ）、
（Ｂ）の固体撮像装置の製造方法の要部を工程順に示す
断面図である。

【００２５】（Ａ）図２（Ａ）に示すように、中間層１
３上の各受光素子１２と対応する部分に例えばＳｉ₃ Ｎ
₄ からなるドーム状レンズ素子１４を形成する。該レン
ズ素子１４の形成は、その材料となる例えばＳｉ₃ Ｎ₄
膜上にレジスト膜を形成し、該レジスト膜の選択的エッ
チングにより各画素間を仕切る溝を形成し、その後、加
熱処理によりレジスト膜を軟化させてその表面張力によ
りドーム状に変形させ、硬化させ、しかる後、該レジス
ト膜及びレンズ材料膜たるＳｉ３Ｎ４膜をエッチバック
することにより行うことができる。

【００２６】（Ｂ）次に、図２（Ｂ）に示すように、表
面に例えばＳｉＯ２からなる透明膜１５を形成する。

【００２７】（Ｃ）次に、透明膜１５の研磨、更には、
レンズ素子１４の頂部が露出後においてはそのレンズ素
子１４の頂部をも含めた透明膜１５の研磨により透明膜
１５の厚さが所定の厚さになるまで研磨を続けることに
より、図２（Ｃ）に示すように、レンズ素子１４の頂部
１４ａの平坦化を図る。これにより頂部１４ａを平坦化
したレンズ素子１４を得ることができる。

【００２８】尚、上記研磨は、機械的研磨により行って
も良いし、化学的機械研磨により行っても良いことは言
うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】本発明固体撮像装置によれば、平坦化さ
れた頂部に入射した光は斜めの光であっても受光部に入
射されるので、入射角度の大きな光の感度低下を防止す
ることができる。そして、透明樹脂で封止した場合、そ
の透明樹脂はレンズ素子とはその平坦な頂部と接し、球
面部分とは接しないので、屈折率がどんな値であっても
もレンズ素子の集光機能に支障を来さない。従って、透
明樹脂により封止することができ、封止に中空パッケー
ジを必要としない。また、封止用透明樹脂の屈折率に制
約が無いので、材料選択の自由度が高い。

【００３０】本発明固体撮像装置の製造方法によれば、
レンズ素子の形成後、それより小さい屈折率の透明膜を
そのレンズ素子を完全に覆うように形成し、その後透明
膜及びレンズ素子を研磨するので、頂部が平坦化された
レンズ素子を形成することができる。そして、透明膜は
レンズ素子よりも屈折率が小さいので、レンズ素子のレ
ンズ機能に支障を与えない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）、（Ｂ）は本発明固体撮像装置の第１の
実施の形態を示すもので、（Ａ）は全体を示す断面図、
（Ｂ）は要部を示す断面図である。

【図２】（Ａ）乃至（Ｃ）は本発明固体撮像装置の製造
方法の第１の実施の形態を工程順に示す断面図である。

【図３】オンチップレンズ付き固体撮像素子を透明樹脂
で封止した固体撮像装置の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１１・・・半導体基板、１２・・・受光素子、１４・・
・レンズ素子、１５・・・透明膜、１６・・・封止用透
明樹脂。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の上部に形成された固体撮像
   素子の各受光部上方にレンズ素子が形成された固体撮像
   装置において、 上記レンズ素子上に該レンズ素子の材料よりも屈折率の
   低い透明膜が形成され、 上記各レンズ素子の頂部が研磨により平坦化されてなる
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 半導体基板の上部に形成された固体撮像
   素子の各受光部上方にレンズ素子を形成した後、該レン
   ズ素子の材料の屈折率より低い屈折率の透明膜をレンズ
   素子上にその頂部を完全に覆うように形成し、 その後、上記透明膜及びレンズ素子の頂部を研磨により
   平坦化することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
   置の製造方法。